預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻在路塹邊坡加固中的應(yīng)用

蘇 鵬

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

1 工程概況

某高速公路RK85+780—RK85+910段右側(cè)邊坡為挖方路基邊坡，挖方邊坡最大高度16.5 m，分兩級設(shè)置邊坡，坡率均為1∶0.5，平臺寬度2 m。RK85+780—RK85+910段右側(cè)邊坡坡頂處相鄰G309線，坡頂已經(jīng)侵入到既有公路G309線的硬路肩范圍，為保證高速公路邊坡穩(wěn)定及G309線運(yùn)營安全，原設(shè)計采取改移G309線。項(xiàng)目進(jìn)行中建設(shè)單位提出，G309線改線對原國道交通影響大，建議在不改線的情況下，采用技術(shù)措施確保高速公路順利實(shí)施。隨后建設(shè)單位組織設(shè)計、施工和監(jiān)理四方對現(xiàn)場進(jìn)行了實(shí)地踏勘并組織方案論證會，會議確定采用樁板墻方案對該段路塹邊坡進(jìn)行加固處理。

圖1 RK85+780—RK85+910段右側(cè)邊坡(原設(shè)計改路方案)

圖2 RK85+780—RK85+910段右側(cè)邊坡（預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻方案）

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

本段邊坡地貌上屬基巖低中山區(qū)安澤河河谷亞區(qū)，總體地勢北高南低，坡自然坡角10°～35°。山坡上基巖裸露，局部上覆薄層坡積土，線路走向242°，從山腰通過。

2.2 地層巖性

根據(jù)鉆探揭露及工程地質(zhì)調(diào)繪，本邊坡地層主要為二疊系中統(tǒng)石千峰組（P2sh）褐紅色中厚層狀-厚層狀粉細(xì)砂巖及黃綠色、紫紅色砂質(zhì)泥巖組成，在揭示深度范圍內(nèi)地層巖性由新至老為：

a）第四系上更新統(tǒng)（Q3） 粉土，褐黃色，稍濕，松散，顆粒分布不均，局部夾砂及巖塊，上部見植物根系。坡體范圍內(nèi)少見出露，厚度一般0～0.6 m。

b）二疊系（P2sh） 全風(fēng)化砂巖，褐黃色，原巖結(jié)構(gòu)基本被破壞呈土狀及碎末狀，礦物成分主要為長石、黏土礦物；揭示厚度2.6～4.6 m。

c）強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖 紫紅色，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，節(jié)理發(fā)育，礦物成分主要為長石、黏土礦物、石英等，巖芯破碎呈碎塊狀，塊徑2～4 cm，偶見短柱狀，錘擊易碎；揭示厚度6.3～9.0 m。

d）強(qiáng)風(fēng)化砂巖 褐紅色為主，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，夾泥質(zhì)薄層，礦物成分主要為長石、黏土礦物、石英等，巖芯破碎呈塊狀，偶見短柱狀，塊徑2～5 cm，錘擊易碎；揭示厚度約14.0 m。

e）中風(fēng)化砂巖 褐紅色為主，粉細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，節(jié)理發(fā)育，夾泥質(zhì)薄層，礦物成分主要為長石、黏土礦物、石英等，巖芯較完整呈柱狀，局部夾塊狀，柱長一般5～10 cm，錘擊聲悶；揭示厚度13.5～24.8 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造及地震

擬建場地屬沁水塊坳安澤-沁源郭道近南北向褶皺帶，由一系列小背斜與小向斜組成。根據(jù)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》，場地地震動峰值加速度為0.15g，地震基本烈度為Ⅶ度，區(qū)域穩(wěn)定性較差。巖層產(chǎn)狀為30°∠4°，3組節(jié)理發(fā)育：120°∠70°，2 條 /m；180°∠85°，3 條 /m；265°∠59°，4條 /m。

2.4 水文地質(zhì)條件

擬建場地的全年降水主要集中在7月、8月、9月份，年平均降水量607.7 mm。

坡體內(nèi)地下水主要為砂巖裂隙水，主要接受大氣降水補(bǔ)給，排泄方式主要為蒸發(fā)式排泄，含水性較弱，一般處在干燥狀態(tài)下。

3 邊坡穩(wěn)定性評價

該邊坡為巖質(zhì)邊坡，地層為三疊系（P2sh）褐紅色中厚層狀-厚層狀粉細(xì)砂巖及紫紅色砂質(zhì)泥巖，巖層產(chǎn)狀為30°∠4°，3組節(jié)理發(fā)育，巖體較破碎，完整性系數(shù)在0.35～0.4之間；結(jié)構(gòu)面之間結(jié)合較差；路線走向?yàn)?42°，邊坡整體傾向28°，巖層傾向和邊坡傾向一致，不利于邊坡穩(wěn)定，但巖層傾角較小，地層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，故邊坡整體穩(wěn)定；同時因巖體節(jié)理發(fā)育，巖體破碎，邊坡開挖后坡面易發(fā)生掉塊或小型崩塌[1]。

圖3 RK85+818—RK85+902段赤平投影圖

4 方案設(shè)計

4.1 路塹邊坡加固設(shè)計

根據(jù)以上邊坡穩(wěn)定分析評價，結(jié)合地層巖性，根據(jù)樁的平面位置考慮3種方案對路塹邊坡進(jìn)行加固處治[2]。

4.1.1 方案一

路塹邊坡采用臺階式邊坡，第一級坡高8 m，坡率1∶0.5，采用護(hù)面墻防護(hù)，第二級平臺上設(shè)置2×3 m C30混凝土預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻，樁長24～34 m，樁間距5 m，樁間設(shè)置C30混凝土擋土板，錨索長度22 m，錨固段10 m，單孔錨索采用6束，單孔設(shè)計錨固噸位600 kN，設(shè)計鎖定錨固噸位660 kN，見圖 4（方案一）。

圖4 方案一

4.1.2 方案二

在碎落臺外設(shè)置2×3 m C30混凝土預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻，樁長20～28 m，樁間距5 m，樁間設(shè)置C30混凝土擋土板。自樁頂面下200 cm設(shè)置斜面，與水平面成70°夾角，錨索中心位于樁頂面下150 cm處，設(shè)置與水平面成20°下傾角，抗滑樁施工時在樁頂面下150 cm處預(yù)留φ150錨索孔，設(shè)置與水平面成20°下傾角，錨索長度22 m，錨固段10 m，單孔錨索采用5束，單孔設(shè)計錨固噸位500 kN，設(shè)計鎖定錨固噸位550 kN，見圖5（方案二）。

圖5 方案二

4.1.3 方案三

第一級邊坡設(shè)置2×3 m C30混凝土預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻，樁長24～26 m，樁間距5 m，樁間設(shè)置C30擋土板。第二級邊坡坡率1∶0.5，平臺寬度3 m，采用框架預(yù)應(yīng)力錨索加固邊坡，錨索長度22 m，錨固段10 m，單孔錨索采用4束，單孔設(shè)計錨固噸位400 kN，設(shè)計鎖定錨固噸位440 kN，見圖6（方案三）。

圖6 方案三

方案一總造價955萬元，方案二總造價919萬元，方案三總造價895萬元。方案一優(yōu)點(diǎn)是第一級邊坡及平臺與該段路基前后邊坡銜接順暢，施工邊坡開挖高度較低，施工安全性相對較高；缺點(diǎn)是樁板墻頂位置與原G309線相距較近，對原國道運(yùn)營干擾大，工程造價相對較高。方案二優(yōu)點(diǎn)是樁板墻頂位置與原G309線相距最遠(yuǎn)，對原國道干擾最小，施工開挖量較方案一大，造價適中。方案三抗滑樁較短，工程造價最低，但其樁頂需開挖邊坡，施工時對原國道運(yùn)營有一定干擾。綜合分析以上3個方案，方案二對原國道G309線影響最小，造價適中，故推薦方案二。

4.2 路塹邊坡排水設(shè)計

邊坡坡腳設(shè)置60×60 cm M7.5漿砌片石邊溝，路塹頂5 m外設(shè)60×60 cm M7.5漿砌片石截水溝。在全風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖交界面處設(shè)置仰斜排水孔，水平間距3 m，排水孔徑130 mm，孔內(nèi)填充φ110硬塑透水管，里端采用兩層無紡布包封。做好臨時排水和永久排水的銜接，確保邊坡排水通暢。

4.3 計算分析

結(jié)合工程鉆孔資料和巖層產(chǎn)狀，對設(shè)置樁板墻的每個斷面進(jìn)行計算分析。由于巖層基本呈水平狀，鉆孔未見地下水，路塹邊坡計算僅考慮土壓力，土壓力計算方法采用庫侖理論方法[3]，計算公式如式（1）、式（2），力學(xué)參數(shù)取值參考有關(guān)試驗(yàn)值，并結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)確定，表1為設(shè)計指標(biāo)采用值。

式中:γ、φ為墻后填土的容重及內(nèi)摩擦角；H為擋土墻的高度；ε為墻背與豎直線間夾角,墻背俯斜時為正，反之，為負(fù)值；δ為墻背與填土間的摩擦角；β為填土面與水平面間的傾角；Ka為主動土壓力系數(shù)。

表1 巖土層的設(shè)計力學(xué)參數(shù)建議值表

同時，路塹邊坡主要為全風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖，巖芯破碎呈碎塊狀，樁的受力計算采用地基系數(shù)法，地基系數(shù)隨深度成正比例增加，即采用“M法”進(jìn)行樁內(nèi)力計算分析[4]，“M法”是根據(jù)彈性地基上的彈性梁受撓曲后的微分方程采用冪級數(shù)解求得，從而得到樁的水平位移x，計算公式如式（3）：

式中：x0、φ0、M0、Q0分別為在畫面處的水平位移、轉(zhuǎn)角（弧度）、彎矩和剪力；A1、B1、C1、D1為隨樁之換算深度（ah）而異的系數(shù)，可查表確定。

經(jīng)計算，Ea=365.271 kN，Ex=325.459 kN，Ey=165.830 kN作用點(diǎn)高度Zy=4.811 m樁頂位移為25.6～39.08 mm，位移均小于100 mm，錨固段頂面位移為4.65～6.79 mm，位移均小于10 mm，均滿足規(guī)范要求。

5 施工工藝及要求

首先施工G309線路側(cè)混凝土防撞墻。

其次再施工錨索樁板墻，待邊坡錨固工程全部實(shí)施并產(chǎn)生加固作用后（根據(jù)實(shí)際情況可采用有效可行的臨時加固或預(yù)加固工程措施）方可進(jìn)行下級邊坡的土石方開挖作業(yè)，逐級開挖，逐級加固，直至全部防護(hù)工程結(jié)束，確保坡體穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)安全。

施工時先施工樁，樁的施工從兩側(cè)向中間開始施工，采用跳孔開挖，開挖一個澆注一個孔，禁止全部開挖完畢后再下放鋼筋籠及澆注混凝土。

澆注樁的混凝土需一次成型，禁止間隔澆注施工。

擋土板采用預(yù)制，擋土板施工需等錨索第一次張拉完畢后（達(dá)到設(shè)計張拉力的100%），第二次張拉以前，擋土板安放時禁止全面開挖樁間土，需從兩側(cè)向中間開始施工，逐幅施工。擋土板全部施工完畢后對錨索采用二次張拉（達(dá)到設(shè)計張拉力的110%）。

錨索施工順序：鉆孔→清孔→下錨（與注漿管一起）→注漿→施工框架梁→張拉→鎖定。

6 監(jiān)測

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求對該工程進(jìn)行監(jiān)測，在樁頂設(shè)置位移樁，共設(shè)置3處，在預(yù)應(yīng)力錨索處設(shè)置錨索計，共3處。

邊坡監(jiān)測工作時間主要為施工期和公路營運(yùn)初期，總的監(jiān)測時間應(yīng)為邊坡開挖至公路建成營運(yùn)后1～2 年[5]。

監(jiān)測頻度應(yīng)與施工和降雨量相適應(yīng)，在雨季、邊坡開挖期間和已出現(xiàn)變形破壞時應(yīng)加密觀測。

7 結(jié)語

a）本文通過具體工程實(shí)例對該邊坡加固防護(hù)措施進(jìn)行分析，確定出該段邊坡防護(hù)的最佳處治方案。

b）通過計算分析，確定樁板墻的尺寸，為本段路塹穩(wěn)定提供支撐。

c）樁板墻施工完成后，對樁頂位移及錨索應(yīng)力計進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

d）通過本次路塹加固設(shè)計，避免了國道改線，保證其正常通行及運(yùn)營的安全性，同時，也保證高速公路路塹邊坡的穩(wěn)定，確保高速公路的運(yùn)營，為類似工程設(shè)計提供一定的參考意義。